KR20020001329A - 화학 기상 증착을 이용한 박막 형성 방법 - Google Patents

화학 기상 증착을 이용한 박막 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 화학 기상 증착을 이용한 박막 형성 방법은, 전구체가 저장되는 전구체 저장 탱크로부터 반응 챔버로 전구체를 공급하여 박막을 형성하는 화학 기상 증착을 이용한 박막 형성 방법이다. 상기 방법은, 캐리어 가스를 반응 챔버에 공급하되, 전구체 저장 탱크에도 함께 공급하여, 전구체 저장 탱크 내의 압력을 증가시킴으로써 전구체 저장 탱크 내에서의 기화되는 전구체 양을 증가시키는 전처리 단계와, 전구체 저장 탱크로부터의 전구체와 반응 가스를 반응 챔버 내로 펄싱하여 박막을 형성하는 펄싱 단계, 및 퍼지 가스를 반응 챔버 내에 공급하여 퍼지하는 퍼징 단계를 포함한다.

Description

화학 기상 증착을 이용한 박막 형성 방법{Method for forming thin film using chemical vapor deposition}
본 발명은 박막 형성 방법에 관한 것으로서, 특히 화학 기상 증착을 이용한 박막 형성 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 집적도가 증가하고 그 구조가 점점 복잡해짐에 따라, 박막을 증착시키는데 있어서 스텝 커버리지(step coverage)의 중요성이 점점 증대되고 있는 추세이다. 즉 언더 컷(under cut)과 같은 복잡한 구조 또는 단차가 큰 구조에서, 언더 컷이 있는 부분 또는 깊은 부분까지 박막을 증착하여야 하며, 더욱이 그 증착 두께는 일정하여야 한다. 일 예로서, 스텝 커버리지가 불량한 유전체막을 커패시터에 적용하는 경우 증착하는 경우 증착 두께가 얇은 쪽을 통하여 누설 전류가 발생하므로 소자의 특성이 열화되는 문제가 발생된다.
현재 스텝 커버리지가 우수한 박막 증착 방법으로서 화학 기상 증착법이 잘 알려져 있다. 이 화학 기상 증착법은 일반적인 화학 기상 증착법 외에도 원자층 증착법을 포함할 수도 있다. 일반적인 화학 기상 증착법은 반응 챔버 내에 두 가지 이상의 반응 가스들을 공급하여 기상 상태의 반응 가스들 사이의 반응 및 하지막 표면에서의 흡착을 통하여 막을 증착하는 방법이다. 원자층 증착법은 반응 챔버 내로 두 가지 이상의 반응 가스들을 순차적으로 공급하면서 각각의 반응 가스의 분해 및 흡착을 통하여 원자층 단위의 막을 증착하는 방법이다. 원자층 증착법은 일반적인 화학 기상 증착법에 비하여 비교적 낮은 온도에서 보다 우수한 스텝 커버리지를 갖는 박막을 증착시킬 수 있다고 알려져 있다.
이와 같이 우수한 스텝 커버리지를 갖는 박막을 증착시키기 위하여 사용되는 화학 기상 증착법들은 모두 기화 상태의 반응 가스들을 이용하므로, 반응 가스들을 기화시키는 과정이 요구된다. 반응 가스들의 기화에 영향을 주는 인자들은 여러 가지 있지만, 압력 및 캐리어 가스량이 대표적인 인자들이다. 일반적으로 기화 압력이 낮은 물질을 기화시키기 위해서는 반응 가스들을 고온 상태로 유지시켜야 한다. 그러나 반응 가스들을 고온 상태로 유지시키기 위해서는 반응 가스가 저장되는 탱크내의 온도를 고온으로 유지시켜야 하는데, 이 경우 탱크 내에 연결된 밸브가 손상될 수 있다. 일반적으로 상기 밸브는 베스펠(Veapel) 재질을 이용하여 제작하는데, 이 재질은 대략 130℃까지의 온도에서 사용 가능하다. 따라서 이와 같은 경우 상기 반응 가스의 온도를 130℃ 이상의 온도로 유지시키기 어려우며, 결국 반응 가스의 기화량이 적어져서 박막 두께가 점점 얇아지는 문제가 발생될 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전구체 공급 장치를 손상하지 않는 온도 범위에서 기화되는 전구체 양을 증가시킴으로써 일정한 두께의 박막이 형성되도록 하는 화학 기상 증착을 이용한 박막 형성 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 화학 기상 증착을 이용한 박막 형성 방법을 설명하기 위하여 나타내 보인 플로우 차트이다.
도 2는 본 발명에 따른 화학 기상 증착을 이용한 박막 형성 방법에서 채용되는 전구체 공급 장치를 개략적으로 나타내 보인 도면이다.
도 3a는 일반적인 화학 기상 증착을 이용한 박막 형성 방법을 적용하여 증착된 박막 두께 변화를 나타내 보인 그래프이다.
도 3b는 본 발명에 따른 화학 기상 증착을 이용한 박막 형성 방법을 적용하여 증착된 박막 두께 변화를 나타내 보인 그래프이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 화학 기상 증착을 이용한 박막 형성 방법은, 본 발명의 화학 기상 증착을 이용한 박막 형성 방법은, 전구체가 저장되는 전구체 저장 탱크로부터 반응 챔버로 전구체를 공급하여 박막을 형성하는 화학 기상 증착을 이용한 박막 형성 방법이다. 상기 방법은, 캐리어 가스를 상기 반응 챔버에 공급하되, 상기 전구체 저장 탱크에도 함께 공급하여 상기 전구체 저장 탱크 내의 압력을 증가시킴으로써 상기 전구체 저장 탱크 내에서의 기화되는 전구체 양을 증가시키는 전처리 단계와, 상기 전구체 저장 탱크로부터의 전구체와 반응 가스를 상기 반응 챔버 내로 펄싱하여 박막을 형성하는 펄싱 단계, 및 퍼지 가스를 상기 반응 챔버 내에 공급하여 퍼지하는 퍼징 단계를 포함하는 것을특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 화학 기상 증착은 원자층 단위로 증착하는 방법인 것이 바람직하며, 상기 캐리어 가스로서 불활성 기체를 사용하는 것이 바람직하다.
이하 첨부 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태들로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명은 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 예를 들면, 비록 본 실시예가 원자층 단위로 증착하는 원자층 증착법을 예를 들어 설명하였지만, 다른 화학 기상 증착을 이용한 박막 형성 방법에도 적용할 수 있다는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명에 따른 화학 기상 증착, 예컨대 원자층 증착법을 이용한 박막 형성 방법을 설명하기 위하여 나타내 보인 플로우 차트이다.
도 1을 참조하면, 먼저 캐리어 가스를 반응 챔버 및 전구체 저장 탱크에 공급하여 전처리를 수행한다(단계 100). 전구체 저장 탱크와 반응 챔버 사이의 가스 공급 라인이 두 개 이상의 전구체들이 공용하는 가스 라인이 있는 경우, 또는 전구체들 사이에 공용되는 부분이 있는 경우, 반응 챔버 내에서 가스 라인으로 가스들이 역으로 흐를 수 있으므로, 상기 전처리를 수행하여 반응 챔버 내에서 가스 라인을 통해 가스들이 역으로 흐르지 못하도록 하는 것이 일반적이다. 이때 상기 캐리어 가스는 반응 챔버 이외에도 전구체 저장 탱크 내에도 함께 공급하여 기화되는 전구체 양을 증가시킨다. 다음에 전구체가 저장되는 전구체 저장 탱크로부터의 전구체와 반응 가스를 반응 챔버 내로 펄싱하여 박막을 형성한다(단계 110). 상기 반응 챔버 내에는 박막을 형성하고자 하는 반도체 웨이퍼가 로딩되어 있는 것은 당연하다. 반응 챔버 내로 공급된 전구체 및 반응 가스는 분해 및 흡착에 의해 원자층 단위로 상기 반도체 웨이퍼 위에 박막을 형성한다. 다음에 퍼지 가스를 반응 챔버 내로 공급하여 퍼징을 수행한다(단계 120). 반응 챔버 내로 공급된 퍼지 가스는 증착하고자 하는 반도체 웨이퍼 표면에 단 원자층 이상으로 흡착되어 있는 원자들을 제거하여 박막이 양질을 유지하도록 한다. 다음에 공정이 종료되었는지의 판단(단계 130) 결과에 따라 상기 단계 100 내지 120을 반복하여 수행하거나, 또는 공정을 종료한다.
도 2는 본 발명에 따른 화학 기상 증착 방법을 사용한 박막 형성 방법에서 채용되는 전구체 공급 장치를 개략적으로 나타내 보인 도면이다.
도 2를 참조하면, 전구체(210), 예컨대 Al 박막 형성을 위한 경우에 TMA(Al(CH3)3)가, Ta 박막 형성을 위한 경우에는 PET(Ta(OC2H5)5)가 저장된 전구체 저장 탱크(200)에 저장되며, 이 전구체 저장 탱크(200)에는 인입(inlet) 라인(201) 및 배출(outlet) 라인(202)이 각각 삽입된다. 상기 인입 라인(201)은 인입 밸브(221)의 온/오프 동작에 의해 캐리어 가스가 전구체 저장 탱크(200) 내에 주입될 수 있도록 하기 위한 것이다. 여기서 밸브(221)의 온 동작은 밸브(221)가 열리는 상태를 의미하며, 오프 동작은 밸브(221)가 닫히는 상태를 의미한다. 상기 배출 라인(202)은 배출 밸브(222)의 온/오프 동작에 의해 전구체(210)가 반응 챔버 내로 공급되도록 하기 위한 것이다. 한편 캐리어 가스는 제1 밸브(231)의 온/오프동작에 의해 제1 라인(241)을 통해 공급되며, 이 제1 라인(241)을 통과한 캐리어 가스는 제2 밸브(232)의 온/오프 동작에 의해 제2 라인(242)을 거쳐서 반응 챔버 내로 공급된다. 또한 제1 라인(241)을 통과한 캐리어 가스는 제3 밸브(233)의 온/오프 동작에 의해 제3 라인(243)을 거쳐서 배기구로 빠져나갈 수도 있다.
이와 같은 전구체 공급 장치에서, 종래에는 상기 캐리어 가스가 공급되는 전처리 단계에서 제1 밸브(231) 및 제2 밸브(232)는 온 상태를 유지시켰으며, 인입 밸브(221) 및 배출 밸브(222)는 오프 상태를 유지시켰다. 따라서 캐리어 가스는 제1 밸브(231) 및 제2 밸브(232)의 온 상태에 의해 제1 라인(241) 및 제2 라인(242)을 통해 반응 챔버 내에 공급되었지만, 인입 밸브(221)의 오프 상태에 의해 전구체 저장 탱크(200) 내에는 공급되지 않았다. 그러나 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성 방법에서는, 상기 캐리어 가스가 공급되는 전처리 단계에서 인입 밸브(221), 제1 밸브(231) 및 제2 밸브(232)를 온 상태로 유지시키며, 배출 밸브(222)는 오프 상태로 유지시킨다. 즉 캐리어 가스는 제1 밸브(231) 및 제2 밸브(232)의 온 상태에 따라 제1 라인(241) 및 제2 라인(242)을 통해 반응 챔버 내로 공급된다. 동시에 상기 캐리어 가스는 인입 밸브(221)를 통해 전구체 저장 탱크(200) 내에도 공급된다. 상기 캐리어 가스가 전구체 저장 탱크(200) 내에 공급됨으로써, 전구체 저장 탱크(200) 내의 압력은 증가한다. 전구체 저장 탱크(200) 내의 압력이 증가함에 따라 기화되는 전구체양은 증가하여, 이후에 수행되는 펄싱 단계에서 보다 많은 기화된 전구체가 반응 챔버 내에 공급될 수 있으며, 이에 따라 균일한 박막을 형성할 수 있다.
도 3a는 일반적인 화학 기상 증착을 이용한 박막 형성 방법을 적용하여 증착된 박막 두께 변화를 나타내 보인 그래프이며, 도 3b는 본 발명에 따른 화학 기상 증착을 이용한 박막 형성 방법을 적용하여 증착된 박막 두께 변화를 나타내 보인 그래프이다. 도 3a 및 도 3b에서 그래프의 가로축은 박막 증착 회수를 나타내며, 세로축은 증착된 박막의 두께(단위는 Å)를 나타낸다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 펄싱 단계 이전에 수행하는 전처리 단계에서 캐리어 가스를 반응 챔버 내로만 공급하고, 이어서 밸브 및 가스 공급 라인의 손상을 방지하기 위하여 전구체 저장 탱크를 일정 온도 이하로 유지시킨 상태에서 펄싱 단계 및 퍼지 단계를 반복적으로 수행하는 경우, 증착 회수가 증가할수록 증착되는 박막의 두께는 점점 감소된다.
그러나, 도 3b에 도시된 바와 같이, 펄싱 단계 이전에 수행하는 전처리 단계에서 캐리어 가스를 반응 챔버 이외에도 전구체 저장 탱크에 함께 공급하고, 이어서 밸브 및 가스 공급 라인의 손상을 방지하기 위하여 전구체 저장 탱크를 일정 온도 이하로 유지시킨 상태에서 펄싱 단계 및 퍼지 단계를 반복적으로 수행하는 경우, 증착 회수가 증가하더라도 증착되는 박막의 두께는 거의 일정하게 유지된다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 화학 기상 증착을 이용한 박막 형성 방법에 의하면, 전구체 저장 탱크 내의 온도를 일정 온도 이하로 유지시키므로 밸브나 가스 공급 라인의 손상을 방지할 수 있고, 전처리 단계에서 캐리어 가스를 반응 챔버와 함께 전구체 저장 탱크 내로 공급하여 기화된 전구체 양을 증가시키므로 형성되는 박막의 두께를 일정하게 유지시킬 수 있다는 이점이 있다.

Claims (3)

  1. 전구체가 저장되는 전구체 저장 탱크로부터 반응 챔버로 상기 전구체를 공급하여 박막을 형성하는 화학 기상 증착을 이용한 박막 형성 방법에 있어서,
    캐리어 가스를 상기 반응 챔버에 공급하되, 상기 전구체 저장 탱크에도 함께 공급하여, 상기 전구체 저장 탱크 내의 압력을 증가시킴으로써 상기 전구체 저장 탱크 내에서의 기화되는 전구체 양을 증가시키는 전처리 단계;
    상기 전구체 저장 탱크로부터의 전구체와 반응 가스를 상기 반응 챔버 내로 펄싱하여 박막을 형성하는 펄싱 단계; 및
    퍼지 가스를 상기 반응 챔버 내에 공급하여 퍼지하는 퍼징 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착을 이용한 박막 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화학 기상 증착은 원자층 단위로 증착하는 방법인 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착을 이용한 박막 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캐리어 가스로서 불활성 기체를 사용하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착을 이용한 박막 형성 방법.
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